本教程包含以下部分：

① 玻璃光纖中的導(dǎo)光

② 光纖模式

③ 單模光纖

④ 多模光纖

⑤ 光纖末端

⑥ 光纖接頭

⑦ 傳播損耗

⑧ 光纖耦合器和分路器

⑨ 偏振問題

⑩ 光纖的色散

? 光纖的非線性

? 光纖中的超短脈沖和信號(hào)

? 附件和工具

這是 Paschotta 博士的無源光纖教程的第 9 部分

第九部分：偏振問題

標(biāo)稱對(duì)稱光纖中的雙折射

原則上，具有完全旋轉(zhuǎn)對(duì)稱設(shè)計(jì)的光纖應(yīng)該沒有雙折射。因此，它應(yīng)該完全保持光的偏振。然而，實(shí)際上，一定量的雙折射總是由光纖的缺陷（例如，光纖纖芯的輕微橢圓度）或彎曲引起的。因此，光的偏振態(tài)在相對(duì)較短的光纖長(zhǎng)度內(nèi)發(fā)生變化——有時(shí)僅在幾米之內(nèi)，有時(shí)則快得多。

請(qǐng)注意，光纖中偏振方向之間的折射率差異不一定比其他設(shè)備中的大。然而，纖維往往很長(zhǎng)，因此即使是微弱的指數(shù)差異也會(huì)產(chǎn)生重大影響。

另一個(gè)重要方面是，由此產(chǎn)生的偏振變化不僅是隨機(jī)的和不可預(yù)測(cè)的，而且還強(qiáng)烈依賴于波長(zhǎng)、光纖沿其整個(gè)長(zhǎng)度的溫度以及光纖的任何彎曲。因此，調(diào)整偏振狀態(tài)通常沒有太大幫助，例如使用光纖偏振控制器（見下文）；環(huán)境參數(shù)或波長(zhǎng)的一些細(xì)微變化可能會(huì)再次破壞偏振。

光纖偏振控制器

光纖的強(qiáng)烈彎曲會(huì)引入雙折射。這意味著以一定半徑彎曲并固定在線圈上的某些適當(dāng)長(zhǎng)度的光纖可以具有 π 或 π / 2 的相對(duì)相位延遲，例如，在兩個(gè)偏振方向之間。因此，它可以像 λ / 2波片（半波片）或 λ/4 波片（四分之一波片）一樣工作。如果圍繞與輸入和輸出光纖重合的軸旋轉(zhuǎn)整個(gè)線圈，則會(huì)獲得與在自由空間激光束中旋轉(zhuǎn)體波片類似的效果。人們經(jīng)常使用一個(gè)有效的四分之一波片線圈與一個(gè)半波片線圈和另一個(gè)串聯(lián)的四分之一波片線圈的組合來將一些輸入偏振態(tài)轉(zhuǎn)換成任何想要的偏振態(tài)。這樣一個(gè)光纖偏振控制器（圖 1）可以在相當(dāng)大的波長(zhǎng)范圍內(nèi)工作。

如前所述，問題可能仍然存在，即輸入偏振態(tài)會(huì)隨著環(huán)境條件的變化而漂移，因此必須經(jīng)常重新調(diào)整光纖偏振控制器以保持恒定的輸出偏振態(tài)。

偏保光纖

光纖可以制成保偏光纖（保偏光纖）——但不能避免任何雙折射！相反，人們有意引入顯著的雙折射。這樣的纖維因此是高雙折射纖維（ HIBI 纖維）。

基本上有兩種常見的方法可以做到這一點(diǎn)：

• 可以用橢圓芯制成光纖。這會(huì)導(dǎo)致某種程度的形狀雙折射。當(dāng)然，光纖模式也會(huì)受到橢圓形狀的影響，并且與圓形纖芯光纖的光耦合效率有所降低。

• 可以施加一些機(jī)械應(yīng)力，例如通過引入由不同玻璃制成的應(yīng)力棒。有關(guān)一些典型實(shí)現(xiàn)，請(qǐng)參見圖 2。

注意：保偏光纖不會(huì)保留注入光的任何偏振狀態(tài)！它只對(duì)線性偏振光這樣做，其中偏振方向必須是兩個(gè)正交方向之一，例如沿著應(yīng)力棒之間的線或垂直于它。某些波長(zhǎng)的β值將顯著取決于該偏振方向。

如果我們注入具有其他線性偏振方向的單色會(huì)發(fā)生什么？這可以被認(rèn)為是兩個(gè)基本極化狀態(tài)的疊加。在短時(shí)間的傳播之后，這些組件將獲得明顯不同的相位延遲（由于它們的不同β值）。因此，它們將不再結(jié)合到原始的線性偏振狀態(tài)，而是一般地結(jié)合到一些橢圓狀態(tài)。然而，在極化拍長(zhǎng)的整數(shù)倍之后，再次獲得線性極化。

對(duì)于非單色光，情況變得更加復(fù)雜。在一定長(zhǎng)度的光纖上，不同的波長(zhǎng)分量將經(jīng)歷不同的偏振相關(guān)相移，因此產(chǎn)生的偏振態(tài)變得與波長(zhǎng)相關(guān)。將其轉(zhuǎn)換回線性狀態(tài)將是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)——一個(gè)簡(jiǎn)單的偏振控制器無法做到這一點(diǎn)。

需要將輸入偏振態(tài)與光纖軸對(duì)齊以保持偏振狀態(tài)，這當(dāng)然是保偏光纖的一個(gè)嚴(yán)重的實(shí)際缺點(diǎn)。制造 PM 光纖裝置需要更多的工作，為此需要額外的設(shè)備。此外，并非所有光纖組件都可用作 PM 版本。另一方面，通過 PM 設(shè)置可以安全地避免漂移極化狀態(tài)的不利影響，否則可能需要采取其他措施。

請(qǐng)注意，引入的雙折射基本上消除了一些小的附加隨機(jī)雙折射的任何影響，例如，適度彎曲可能會(huì)導(dǎo)致這種影響。這種隨機(jī)影響可能只會(huì)非常輕微地改變局部極化，但通常不會(huì)對(duì)較長(zhǎng)的長(zhǎng)度產(chǎn)生任何顯著影響。人們可以通過考慮模式耦合來理解這一點(diǎn)：顯著的模式耦合需要一個(gè)周期等于兩個(gè)偏振態(tài)的拍周期的擾動(dòng)。對(duì)于強(qiáng)雙折射，該拍（偏振拍長(zhǎng)）周期相當(dāng)短（例如，幾毫米），并且通常的擾動(dòng)在空間上太“慢”而不會(huì)引起任何顯著的耦合，或者至少根據(jù)偏振拍不具有很強(qiáng)的空間傅立葉分量。

極化不敏感設(shè)計(jì)

消除極化問題的另一種方法是設(shè)計(jì)設(shè)備，使極化無關(guān)緊要。例如，這種方法通常用于光纖通信。只需注意不使用可能導(dǎo)致大量偏振相關(guān)損耗或依賴于特定偏振狀態(tài)的組件。例如，通常不能使用電光調(diào)制器，并且需要仔細(xì)設(shè)計(jì)任何具有低偏振依賴性的半導(dǎo)體器件。一些偏振效應(yīng)仍然存在，這可能會(huì)限制極快光纖鏈路的性能。特別是存在偏振模色散 (PMD) 現(xiàn)象，可以量化為差分群延遲 (DGD)：具有不同偏振的信號(hào)分量通過光纜所需的時(shí)間可能略有不同，這可能會(huì)降低信號(hào)質(zhì)量。然而，對(duì)于較短的傳輸距離和/或中等比特率，PMD 并不是一個(gè)大問題。

下一期將介紹第十部分：光纖的色散

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